REPÜLÉSSZABÁLYOZÁSA
4.2 AZ UAS RENDSZEREK KONCEPCIONÁLIS ÉS FUNKCIONÁLIS FELÉPÍTÉSE, ÉS MŰKÖDÉSE
A pilóta nélküli légijárművek kormányzási–irányítási koncepcióját a 4.1.
ábra mutatja be [4.6, 4.7, 4.8, 4.9].
4.1. ábra. Az UAS rendszer fontosabb alrendszerei (Forrás: www.google.com) A 4.1. ábra alapján az UAS rendszer fontosabb alrendszerei az alábbiak:
1. Légi egység, maga az UAV (UAV Air Component);
2. Földi (felszíni) irányító egység/központ (UAV Surface Component);
3. Adatkapcsolat a földi és a légi egység között (Data Link).
Prof. Dr. Szabolcsi Róbert Óbudai Egyetem
A légi egység (UAV Air Component): a fedélzeti vevő érzékeli a földi állomásról érkező irányító parancsjeleket, amit a fedélzeti avionikai egység dolgoz fel, és alakít irányító jellé, amely lehet kormányfelület kitérés, propulzió-változás, motor forgási sebesség változás (multirotoros UAV) stb.
Az UAV irányító/kezelő elvárásainak megfelelő manőver végrehajtása során a fedélzeti érzékelők az UAV térbeli helyzetének jeleit (sebesség, magasság, Euler-szögek, HD-kamera képek, hőkamera jelei, infrakamera jelei, stb. ) a telemetria rendszeren keresztül a földi irányítóállomásra továbbítja, ahol virtuális pilótafülkében a kezelők és megfigyelők számára megjelenítik azt az információt, amit hagyományos légijármű kabinjában látnának.
A telemetria/adatkapcsolat (Data Link): rendszeren keresztül az UAV parancsjeleket kap a földi kezelőktől, valamint ezen az adatvonalon keresztül történik a fedélzeti érzékelők jeleinek lesugárzása a földi kezelő állomásra.
Földi/felszíni irányító egység (UAV Surface Component): az UAV operátorok/kezelők számára kialakított irányító/parancsnoki állomás, ahol az operátor maga is helyet foglal. Az operátor a légi egységet – gyakran – a hagyományos légijárművek pilótafülkéjére emlékeztető munkaállomásokról irányítja, a felszállástól a biztonságos leszállásig.
A légi egység (UAV) fedélzeti érzékelő rendszereinek jeleit sokszor C4I (Command, Control, Communicatios, Computers and Intelligence) rendszer dolgozza fel, bár ez a vezetési-irányítási-távközlési-számítógépes-felderítő rendszer nem képezi az UAS rendszer részét.
A 4.1. ábrán bemutatott UAV távvezérlő rendszer általában kiegészül a fedélzeten alkalmazott autonóm, automatikus repülésszabályozó rendszerrel (robotpilótával). Ennek egyik oka lehet, hogy a hosszú idejű, monoton tevé-kenységek során a kezelő ily módon tehermentesíthető. A másik lehetséges ok, hogy számos ország UAV-szabályozása a vizuális látómezőn (Visual Line of Sight) túl végrehajtott repülések esetén a fedélzeti robotpilóta alkal-mazását már kötelezővé teszi (pl. Kanada).
Mielőtt részletesen foglalkoznánk az UAV fedélzeti robotpilóták műkö-dési elvével, tekintsük át a szabályozási rendszerek osztályozását. A szabá-lyozási rendszerek egyik lehetséges osztályozását a [4.10, 4.11] irodalmak mutatják be az alábbiak szerint:
1. Működési mód szerint:
a. Folytonos-folyamatos (analóg);
b. Szakaszos-folyamatos (állásos);
c. Folytonos-szaggatott (mintavételes);
d. Szakaszos-szaggatott (digitális).
2. A kimenő- és bemenőjelek függvénykapcsolata szerint:
a. Lineáris
i. állandó paraméterű (LTI);
ii. változó paraméterű (LPV).
b. Nemlineáris.
i. állandó paraméterű (TI);
ii. változó paraméterű (PV).
3. Az alapjel időbeni lefutása szerint a. értéktartó;
b. (érték)követő;
c. időterv (programszabályozás).
4. A jelek sajátossága szerint:
a. determinisztikus;
b. sztochasztikus.
5. A szabályozott jellemző száma szerint:
a. egyváltozós;
b. többváltozós.
6. Működési elv szerint a. eltérés elve;
b. kompenzáció elve;
c. összetett rendszerek.
7. A szabályozott jellemző szerint:
a. villamos;
b. nemvillamos (sebesség, magasság, szöghelyzet stb).
8. A szabályozó dinamikája szerint a. statikus szabályozók
i. P-szabályozó;
ii. PI-szabályozó;
iii. PD-szabályozó;
iv. PID-szabályozó.
b. dinamikus (robusztus) szabályozók i. LQG-szabályozók;
ii. H2-szabályozók;
iii. H-szabályozók;
iv. -szabályozók.
9. Az alkalmazott segédenergia szerint a. villamos szabályozások;
Prof. Dr. Szabolcsi Róbert Óbudai Egyetem
b. pneumatikus szabályozások;
c. hidraulikus szabályozások;
d. vegyes szabályozások (pl. pneumatikus, elektro-hidraulikus, elektro-pneumo-hidraulikus).
10. Optimalitás szerint
a. optimális szabályozások;
b. kvázi-optimális szabályozások;
c. nem-optimális (hagyományos) szabályozások.
Az UAVk irányítása, ha rendelkeznek fedélzeti robotpilótával, történhet kézi távvezérléssel, vagy automatikus (autonóm) irányítással. Az UAV fedél-zeti modern robotpilóták – ma már rendszerint – digitális szabályozókat használnak (4.2. ábra). A 4.2. ábrán egy hipotetikus UAV szöghelyzet stabi-lizáló rendszerének működését követhetjük végig.
4.2. ábra. Az UAV robotpilóta működési elve (Forrás: www.google.com).
Az UAV automatikus irányítások az esetek döntő többségében az eltérés elve alapján működnek. Ha az UAV aktuális térbeli helyzete (Position) eltér az előírt térbeli helyzettől (Position Command), akkor a különbségképző meghatározza a két jel különbségét, a hibajelet, amit a külső hurok szabályo-zója (Prefilter) a saját, előre megadott logikája szerint átalakít, előszűr, erő-sít, és a belső hurokban ezt a jelet hasonlítja össze a rendszer a belső hurok mért repülési paraméterével (Szögsebesség – Rate Gyro).
A belső hurok hibajelét az A/D átalakító kóddá alakítja. A digitális szabá-lyozó elvégzi a hibajel szűrését, erősítését, és bináris kód formájában kiala-kítja a módosított jellemzőt, vagy a beavatkozó jelet. Tekintettel arra, hogy a beavatkozó szervek (szervomotorok, szelepek, relék, mágneskapcsolók) csak és kizárólag folytonos (analóg) vezérlő jellel irányíthatóak, ezért a módosí-tott jellemzőt D/A átalakító visszaalakítja analóg jellé, amellyel a beavatko-zás már elvégezhető.
A beavatkozás eredményeképpen a kormányfelületek, vagy villamos mo-torok úgy változtatják meg helyzetüket, vagy állapotukat, hogy az UAV adott repülési paramétere megegyezzen az előírt értékkel, és a külső hurokban – ideális esetben – a hibajel zérus legyen. Könnyű belátni, hogy ez az irányítási
elv, ami megengedi az eltérést az ideális helyzettől, és a származtatott hibajel alapján avatkozik be az UAV irányításába, időkéséses, és egyes esetekben holtidős is. E hiányosságok kiküszöbölésére, ha ez járható út, alkalmazzák a kompenzáció elvét. Eme elv szerint egy-egy külső, vagy belső zavarás kiala-kulásakor, aminek eredményeképpen az UAV várhatóan eltér majd a kívánt repülési helyzetétől, azonnal beavatkozik a repülésszabályozó rendszer, és nem engedi akkora mértékben eltérni az UAVt, mintha csak az eltérés elve szerint működne. A gyakorlatban gyakran együttesen alkalmazzák a két elvet, adott feltételek mellett mindig az előnyösebb módszert használják.
4.3 OPUS CITATUM
[4.1] Nelson, R. C. Flight Stability and Control, McGraw–Hill Companies, Inc., 1998.
[4.2] McLean, D. Automatic Flight Control Systems, Prentice–Hall Internati-onal Ltd., New York–London–Toronto–Sydney–Tokyo–Singapore, 1990.
[4.3] Blakelock, J. H. Automatic Control of Aircraft and Missiles, John Wiley & Sons, New York, 1965.
[4.4] Szabolcsi, R. Automatikus repülésszabályozó rendszerek, Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem, egyetemi jegyzet, Budapest, 2004.
[4.5] Pokorádi, L – Szabolcsi, R. Mathematical Models Applied to Investigate Aircraft Systems, Monographic Booklet of Pannonian Applied Mathematical Meetings, MB-12, Technical University of Budapest, 1999.
[4.6] Szabolcsi, R.: Modern automatikus repülésszabályozó rendszerek. Zrí-nyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem, ISBN 978-963-7060-32-8, p415, 2011.
[4.7] Moir, I. – Seabridge, A. G.: Military Avionics Systems. John Wiley &
Sons, Ltd., 2006.
[4.8] Moir, I. – Seabridge, A. G.: Aircraft Systems – mechanical, electrical, and avionics subsystems integration. John Wiley & Sons, Ltd., 2008.
[4.9] Moir, I. – Seabridge, A. G. – Jukes, M.: Civil Avionics Systems. John Wiley & Sons, Ltd., 2013.
[4.10] Szabolcsi, R. Korszerű szabályozási rendszerek számítógépes tervezé-se, Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem, ISBN 978-615-5057-26-7, p415, 2011.
[4.11] Csáki, F. Irányítástechnikai kézikönyv, Műszaki Könyvkiadó, Buda-pest, 1975.
Prof. Dr. Szabolcsi Róbert Óbudai Egyetem